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N-type bismuth sulfide coloidal nanocrystals and their application to solution-processed photovoltaic devices

  • Autores: Luis Martínez Montblanch
  • Directores de la Tesis: Gerasimos Konstantatos (dir. tes.)
  • Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2014
  • Idioma: inglés
  • Materias:
  • Enlaces
    • Tesis en acceso abierto en: TDX
  • Resumen
    • Durante las últimas décadas, la energía solar fotovoltaica se ha convertido en una tecnología de creciente importancia para satisfacer las necesidades energéticas actuales sin sacrificar las futuras generaciones. Las células solares tradicionales basadas en silicio llevan asociados altos costes, tanto en materia prima como en su fabricación. Sin embargo, las tecnologías alternativas como las células solares orgánicas ofrecen prometedoras ventajas de bajo coste y fabricación, a expensas de inestabilidad química. Los nanocristales inorgánicos coloidales han atraído una creciente atención, debido a su combinación única de estabilidad química, aprovechamiento pancromático de la energía solar y procesado en disolución. No obstante, los semiconductores nanocristalinos más habituales generan dudas en cuanto a su aplicabilidad, debido a la presencia de metales pesados tóxicos (como el plomo y el cadmio). Además, muchos de estos materiales son tipo p y se usan junto con semiconductores de tipo n de "bandgap" ancho, que no contribuyen a la generación de fotocorriente. El campo de semiconductores nanocristalinos no tóxicos con niveles energéticos apropiados, alta absorción óptica y "bandgap" adecuado para el aprovechamiento de la energía solar aún está por explorar. El objetivo de esta tesis es investigar el potencial de los nanocristales de sulfuro de bismuto para ser empleados como nanomateriales no tóxicos tipo n para un aprovechamiento eficiente de la energía solar. En el Capítulo 2 se presenta un estudio detallado de las propiedades físico-químicas y electro-ópticas de los nanocristales de sulfuro de bismuto. Éstos son semiconductores tipo n y tienen unos niveles energéticos y "bandgap" apropiados para un aprovechamiento eficiente de la energía solar. Por tanto, los nanocristales de sulfuro de bismuto presentan el potencial para ser empleados como aceptores de electrones en células solares basadas en heterouniones con los mejores materiales investigados en la tercera generación fotovoltaica. Los nanocristales de sulfuro de bismuto se emplean en el Capítulo 3 como aceptores de electrones en células solares híbridas. Los materiales usados típicamente como aceptores de electrones así como los polímeros semiconductores no aprovechan la radiación infrarroja. Los nanocristales de sulfuro de bismuto pueden ser usados como materiales aceptores en células solares híbridas y así extender el rango de sensibilidad de las células solares basadas en P3HT a longitudes de onda en el rango del infrarrojo cercano. En el Capítulo 4 se investiga la nanomorfología y el rendimiento fotovoltaico de las células solares híbridas basadas en nanocristales de sulfuro de bismuto y polímeros semiconductores funcionalizados con tioles. Esta nueva clase de polímeros funcionalizados se enlaza a la superficie de los nanocristales de sulfuro de bismuto previniendo su aglomeración, así como presentan niveles de potencial de ionización más profundos y contribuyen a una mejor interacción electrónica entre el nanocompuesto orgánico-inorgánico. En el Capítulo 5, los nanocristales de sulfuro de bismuto se emplean conjuntamente con puntos cuánticos de sulfuro de plomo en dispositivos fotovoltaicos procesados en disolución basados en unión p-n totalmente inorgánicos. Este sistema abre la posibilidad de fabricar heterouniones tipo "bulk", una arquitectura menos limitada por el tiempo de vida de los portadores. De este modo, se puede explorar un rango más amplio de materiales inorgánicos nanocristalinos para dispositvos fotovoltaicos de tercera generación.


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